探究消防滅火機器人及配套裝備技術

陳杰

（江蘇省鹽城市射陽縣消防救援大隊，江蘇 鹽城 224313）

面對日益復雜化、多樣化的火災事故，單純依靠人力開展消防救援工作需現場調配大量人員、裝備等，難以達到高效處置火災險情的目標，同時也將給救援人員帶來了較大的生命安全威脅。采用消防滅火機器人作業，代替人員進入高溫、爆炸、有毒等危害環境中完成滅火任務的同時，能夠加強事故現場數據采集和反饋，輔助指揮員制定科學滅火救援決策，最大限度降低火災帶來的損失。因此，應加強消防滅火機器人研究，推動消防裝備向著精細、智能等方向發展，充分發揮現代消防裝備優勢，為人民生命財產安全提供有力的保障。

1 消防滅火機器人研究

1.1 設計要求

消防滅火機器人應兼具監測和滅火功能，可以沿著既定路徑運動，到達指定位置滅火，也可以根據指令實時修正運動路徑，靈活開展滅火工作。作為由傳感器、執行器和控制器等組成的特種消防裝備，滅火機器人在火災發生后應做出快速反應，能夠根據周圍環境判斷是否存在火源，并根據具體情況做出自動噴水、啟動消火栓等處置，避免火勢迅速蔓延，確保可以有效應對火災現場的突發事件。在監測到火災后，機器人應將報警信號傳至消防控制中心，并發出警告聲，提醒周圍人員撤離。此外，滅火機器人應適用于高溫的工作環境，具有防水、防輻射、遠程遙控、行走爬坡等功能，可以通過控制消防水炮姿態等方式精確滅火和清障，降低消防救援難度，保護消防人員安全。

1.2 結構分析

從滅火機器人基本結構來看，多由機器人本體、攝像機、傳感器、遙控終端、滅火裝置等構成，通過搭載高精度定位裝置、激光雷達、火源探測器等采集和傳輸位置、火源等數據信息，并利用無線模塊、數傳模塊等實現數據遠程傳輸，代替消防人員進入現場搜集信息和開展滅火救援工作。滅火機器人本體作為各種裝備的主要載體，由行走驅動機構、控制機構等構成。

1.2.1 行走機構

由于消防場地較為復雜，目前，主流滅火機器人均采用雙履帶驅動機構，如圖1所示，機器人履帶為特制的阻燃橡膠，強度和韌度較高，內部采用鋼骨架和多層簾布。機器人在火災現場行走和滅火，不僅將遭遇復雜路面，同時也將承受消防水炮等裝備工作產生的大后坐力，容易發生行走不穩的情況。因此，在行走機構設計上，多采用懸掛系統減震，由承重輪、彈簧減震裝置、驅動輪、導向輪、張緊輪等多個部件構成。承重輪沿著履帶輪廓保持均勻分布，為主要承重結構。各承重輪均安裝獨立彈簧懸掛緩沖行走產生的載荷波動，確保機器人獲得較強的機動性，維持較快的移動速度，增強機器人的環境適應性。導向輪前沿超出主體不穩，避免機器人行走過程中主體受到直接撞擊。驅動輪依靠電機驅動，并使用減速裝置帶動履帶傳動系統，在機器人即將發生碰撞時能夠減速。張緊輪連接位置安裝彈簧，確保機器人行走過程中履帶保持一定的張緊度。

圖1 消防滅火機器人

1.2.2 控制機構

滅火機器人控制機構用于實現本體運動控制的同時，需要實現水炮等消防裝備姿態控制。根據滅火機器人的設計需求可知，需通過環境分析生成最佳消防路徑，確保機器人盡快到達火災現場。因此，機器人需選用高性能控制器，多采用嵌入式工控機，生成多路PWM脈沖信號，實現機器人驅動電機控制，并采用CAN總線實現水炮轉臺控制。在控制機器人行走過程中，控制機構通過天線和GPS裝置構成RTK定位系統，獲取當前位置和航向信息，然后通過激光雷達采集周圍障礙物信息。通過搭載火源探測、溫濕度傳感器、氣體傳感器、攝像頭等裝置，滅火機器人能夠識別火源和判斷周圍是否存在危險性氣體?？刂破鲉纹瑱C通過讀取相關數據，可以在第一時間發現火情，完成火源定位和最佳滅火路線計算，在機器人到達指定位置后，評估周圍障礙物分布情況，生成滅火裝置姿態調整指令，做到對準火源自動開展滅火作業。

2 消防滅火機器人配套裝備技術

2.1 導航裝備

從配套裝備技術運用來看，首先，應加強滅火機器人自主導航裝置的開發，確保機器人可以自主尋找火源。根據相關技術指標要求可知，消防機器人火源尋找成功率應達到90%以上，定向誤差應不超過5°，導航定位誤差不超過40cm?，F階段，消防機器人導航方式包括固定導航、激光導航、慣性導航、視覺導航等。采用固定導航裝備，包括坐標導航、磁導航等，使機器人沿著固定路徑運動，影響了機器人的機動性。激光導航是在機器人定位火源后，通過點射方式發射雷達激光，遇到障礙物反彈后，根據激光反射時間確定機器人與障礙物間的距離。通過多次測量修正導航地圖，實時更新機器人位置，能夠實現精準定位，但無法用于場所反射率較高的環境。慣性導航使用陀螺儀等設備獲取機器人三軸角速度和加速度，換算為坐標和方向，與規定路線比較，完成速度值和設定值矢量差計算，從而糾正機器人航向。但長時間使用后，陀螺儀會產生積累誤差，影響導航定位的精準性。采用視覺導航裝備，能夠根據機器人實時采集的影像進行火源定位，根據圖像角度預留導向標記，與現有位置不斷比較引導機器人行走，直至到達火源附近，靈活性較高，但定位精度不高。在新型智能消防滅火機器人研發中，為了獲得較高定位精度和靈活性，通常采用融合導航技術，使視覺導航、激光導航等裝備相互配合，有效減少導航建圖累計誤差，并通過RTK定位系統實現高精度定位。將激光雷達、視覺導航觀測數據加入分布函數，采用粒子濾波器算法實現全局地圖更新和修正，能夠分析得到最優局部路徑和全局路徑，確保機器人迅速到達導航目標點。

2.2 探測裝備

消防滅火機器人在開展滅火作業前，需通過探測裝置完成火源精準探測，在精準判斷火情的基礎上自動選擇適合的滅火方法。為加強火場環境監測，需在機器人前后護罩位置安裝廣角攝像機，自動探測環境光強度。判斷強度足夠，攝像機啟動標準模式，關閉紅外線燈，拍攝彩色畫面。判斷光強度不足，開啟夜視模式，使用紅外線燈拍攝黑白畫面。在消防水炮上方，通常搭載復合火源探測器，配備紅外熱成像、可見光和紅外光攝像頭，采用加權平均值法、閾值分割法等方法完成紅外觀和可見光圖像識別后，完成同區域溫度值分析處理，根據熱成像溫度特征識別火源。在火源探測的過程中，機器人將控制水炮來回搖擺，使安裝在其上的攝像機轉動完成180°范圍內的圖像拍攝。在探測到圖像中存在火源后，機器人將發出報警，同時生成火源區域平均溫度、像素點面積、中心位置等信息，回傳給消防指揮中心，輔助人員制定科學滅火決策，合理操控機器人進行現場滅火作業。在機器人前護罩中間位置，多配備避障傳感器，能對2m范圍內障礙物進行檢測，確保機器人做好停止準備，以免與障礙物發生碰撞。此外，火災現場火情變化迅速，滅火機器人需配備溫度傳感器精準監測周圍環境溫度變化，判斷是否可以繼續執行滅火任務。傳感器可在-25～125℃范圍內工作，檢測精度達到0.1℃。

2.3 滅火裝備

從滅火機器人配備的滅火裝備來看，多選用移動消防水炮和水幕噴淋裝置。水炮作為主要滅火裝置，將根據機器人類型選擇不同型號。通常滅火機器人配備120°消防水炮，能在0～70°靈活切換角度，并根據滅火需要調節流量大小。在水炮關節位置，安裝射流電機、水柱電機和水霧電機，做到連續調節射流狀態。通過配備上、下電機，能夠在垂直方向上完成水炮俯仰角調節，并利用左、右電機在水平方向調節水炮噴射方向。獨立滅火機器人無須外接供水帶，可以通過自帶滅火劑滅火，同時也可以連接DN40以下水帶或3～4L/s水槍滅火，保持較高的機動作業能力。而消防炮流量通常在20～40L/s，需要使用DN80水帶公式，有效撲滅中小型火災。此外，消防滅火機器人進入火災現場后，周圍環境溫度迅速上升將給機器人正常運行帶來不利影響，因此，需配備水幕噴淋裝置完成周圍環境降溫。該裝置由底座、主軸、流量調節手輪和溫流裝置構成，多使用雙層水幕噴灑方式，一級維持固定噴射角度，二級可調節水幕角度。水源壓進噴頭過程中，需經歷一級和二級噴灑口，為防止出現壓力損失，在軸心安裝穩流裝置固定主軸，防止水流旋轉。水流進入二級噴霧時，可通過首輪調節旋轉流量，細化水顆粒，取得理想的噴霧降溫效果（如圖2）。

圖2 水幕噴淋裝置

3 結語

研究消防滅火機器人，應確認機器人可以實現火源自主探測和定位的基礎上，可以移動至火災現場利用配套滅火裝置開展滅火作業。在明確機器人設計要求的基礎上，完成由行走機構和控制機構構成的消防滅火機器人設計，并通過配備導航、滅火等裝備為消防滅火機器人配備有效消防器材，高效配合消防人員開展滅火救援活動，從而實現人與裝備的完美結合，降低滅火作戰難度，確保順利完成救援任務。